陶瓷电容器的噪声啸叫问题

MLCC，即多层片式陶瓷电容器，通常被称为贴片电容，在应用中可能会遇到噪声啸叫的问题。声音是由物体的振动所产生的，而人耳能够识别的声波频率范围在20Hz至20kHz之间。MLCC在受到电压作用时，会产生幅度相对较大的振动，这种振动在微观尺度下虽然很小，但足以发出人耳能识别的声波，即我们听到的啸叫声音。这种声音的频率通常位于20Hz至20kHz之间，属于人耳可听声波的范畴。MLCC在受到电压作用时会产生振动，这背后的原理是什么呢?要解答这个问题，我们首先得了解一个自然现象——电致伸缩。简单来说，电致伸缩就是外电场作用下物质产生的伸缩形变。而某些高介电常数的铁电材料，如MLCC，其电致伸缩效应表现得尤为剧烈，这就是我们所说的压电效应。压电效应又分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指，当对具有压电特性的介质材料施加机械压力时，介质晶体会进行结构重组排布，从而在材料表面感应出电荷，产生电位差。啸叫，这一现象表现为听到来自PCB板的类似“叽”或“吱”的声音。这种问题不仅影响便携设备的使用体验，严重时还会干扰音频设备的播放。那么，啸叫究竟是如何产生的呢?

高介电常数的陶瓷电容器在施加电压时，会发生电介质的变形(失真)，这一现象被称为“逆压电效应”。当施加的是直流(DC)电压时，这种变形只会产生相应的失真，并无其他影响;然而，如果施加的是具有振幅的电压，电容器会周期性地变形，进而引起PCB板的振动。一旦这种振动的频率落在可听频段，即20Hz至20kHz之间，人们就能听到啸叫声。

详细地展示了施加电压与MLCC变形之间的关联。在开关电源的情境下，输出电压是直流(DC)形式的，其中包含了由开关频率引发的纹波电压。这种输出纹波会导致被用作输出电容器的MLCC产生振动。

逆压电效应揭示了一个有趣的现象：当对具备压电特性的介质材料施加电压时，这些材料会产生机械应力，进而发生形变。这种形变与正压电效应中由机械压力引发的结构重组排布相似，但方向相反。逆压电效应为电与机械的相互转换提供了可能，使得我们能够利用电压来操控材料的机械应力与形变。压电效应的学术解释如下：当在缺乏对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时，晶体内部会发生与应力成比例的介质极化，导致晶体两端面分别出现正、负电荷，这一系列变化被称为正压电效应。相反，若在晶体上施加电场以引发极化，那么将产生与电场强度紧密相关的变形或机械应力，这一现象则被称为逆压电效应。正压电效应与逆压电效应共同构成了压电效应的完整概念。

陶瓷介质是MLCC的核心成分，其在电压作用下会产生电致伸缩，这一现象在压电效应强烈时尤为明显，进而引发振动。那么，是不是所有的MLCC都会因此产生啸叫呢?这主要取决于陶瓷介质材料的类型。MLCC的陶瓷介质材料可分为顺电介质和铁电介质两大类。顺电介质，也被称为I类介质，包括SrZrO3、MgTiO3等。这类介质的电致伸缩形变非常小，即便在工作电压下，也难以产生噪声。因此，由顺电介质(I类介质)制成的MLCC，例如NPO (COG)等温度稳定性产品，通常不会出现噪声啸叫。

而铁电介质，即II类介质，则以BaTiO3、BaSrTiO3等为代表。这类介质具有显著的电致伸缩特性，也就是压电效应。所以，由铁电介质(II类介质)制成的MLCC，例如X7R/X5R特性产品，在面临较大的交流电场强度时，就可能产生明显的噪声啸叫。降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有多种，但每种方案都会增加一定的成本。最直接的方法是更换电容器类型，例如采用顺电陶瓷电容、钽电容或薄膜电容等无压电效应的电容器进行替代。然而，这一方案需综合考虑体积、可靠性和成本等多方面因素。另一种方法是调整电路，消除加在MLCC上的大交变电压，或将其频率调整至人耳不敏感的频段(例如，避开1KHz~3KHz的人耳最敏感音频范围)。此外，优化PCB布局和规格也是降低啸叫水平的重要措施。最后，选用无噪声或低噪声的MLCC也是解决啸叫问题的有效途径。当前，针对MLCC的啸叫现象，已有三种设计解决措施可供选择。

顺电介质和铁电介质是MLCC陶瓷的主要成分。顺电介质的电致伸缩形变非常小，以至于在工作电压下不会产生可听到的噪声。然而，铁电介质具有显著的电致伸缩特性——压电效应，在较大的交流电场强度作用下，这类介质的MLCC，例如X7R/X5R特性产品，就会可能产生明显的噪声啸叫。

降低MLCC电容器产生的可听噪声，有多种方法可供选择。首先，通过调整电路，可以消除加在MLCC上的大交变电压，或将频率调整至人耳不敏感的频段(如1KHz~3KHz)。此外，优化PCB布局和规格也有助于降低啸叫水平。在MLCC设计方面，加厚底部保护层、采用金属支架结构、以及采用压电效应弱的介质材料，都是目前解决MLCC啸叫问题的主要措施。

在那么，如何应对这种啸叫现象呢?啸叫的产生不仅与电介质材料和电容器的形状有关，还受到PCB板尺寸和安装状态等多种因素的影响。因此，需要从电容器自身和布局设计两个方面来探讨解决方案。尽管完全消除啸叫是非常具有挑战性的，但我们可以采取措施将其改善至容许范围内。接下来，我们将介绍四种有效的应对策略。

优化材料及电路板设计①通过改进材料来优化，研发出采用具有较低逆压电效应、即变形较小的电介质材料的MLCC。选用低介电常数的材料能够降低失真度。例如，市场上存在如LD(Low Distortion)系列等产品，它们能有效减少啸叫现象。

②通过电路板设计优化：在电路板设计层面，我们同样可以进行改进。例如，针对同一电源线，可以在PCB板的两侧都安装上MLCC ，这样，两个MLCC的振动方向相反，能够相互抵消，从而有效缓解振动问题。

结构调整和改进③通过结构调整进行优化：LW(长度-宽度)逆转设计。在MLCC的设计中，我们通常发现其电极间的长度是大于宽度的。为了减轻PCB板的振动，我们可以考虑缩短电极间的长度，从而减少其变形。具体来说，就是选用宽度大于电极间距离的MLCC类型，这种设计被称为“RGC”逆转结构型，能有效缓解振动问题。

④通过结构改进来缓解啸叫：金属框架型设计。在应对弯曲应力导致的啸叫问题时，金属框架型MLCC展现出了显著的效果。这种设计通过金属框架有效吸收MLCC的振动，从而减少了啸叫现象。试验数据也证明了这一点，与标准品相比，金属框架型MLCC在改善音压方面取得了显著成效，最大可提升约30dB。

关于啸叫的对策，有几个关键要点需要注意。首先，啸叫问题不仅与MLCC的材料和形状相关，还受到PCB板设计和安装方式的影响，因此需要从多方面进行综合研究。其次，改善啸叫的效果不仅取决于所选方案，还可能涉及到PCB板布局和元器件的变更。这些变更在实际操作中可能受到多种限制，例如元器件高度限制等，因此需要在权衡各种因素后做出决策。例如，金属框架型MLCC虽然改善效果显著，但如果元器件高度有限制，可能无法采用。相反，如果LW逆转型MLCC的改善效果足够好且能解决高度问题，那么就需要对布线模式和布局进行相应的调整。下面这个表格总结了这些限制事项与对策之间的关系，供大家参考。

电容器制造商通常会提供综合性的啸叫对策，包括上述提及的方法。因此，咨询制造商以了解适用于特定情况的解决方案是一个明智的选择。同时，我们也需要考虑啸叫对叠层陶瓷电容器自身可靠性的潜在影响。如果啸叫声并不显著，是否可以忽视并继续使用呢?

事实上，啸叫通常被认为对MLCC本身的可靠性没有显著影响。MLCC的振动幅度非常小，通常在微米至纳米级别范围内。相比之下，利用压电效应的压电蜂鸣器和陶瓷振荡器等设备，其振动幅度高达几十倍，但这些产品正是利用了这种振动来发挥功能，并具有高度的可靠性。从这个角度看，MLCC的逆压电效应对其自身的可靠性并不会产生特别的影响。